壓縮機(jī)活塞桿斷裂問(wèn)題分析

龐巖衛(wèi) 陳輝 馬靜

摘 要：通過(guò)對(duì)活塞桿進(jìn)行有限元分析，得出活塞桿所受到的靜應(yīng)力結(jié)果。通過(guò)對(duì)斷口的宏觀檢驗(yàn)和掃描電鏡觀察分析出活塞桿產(chǎn)生破壞的類型。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及綜合分析，得出活塞桿斷裂的根本原因。為避免今后遭遇類似問(wèn)題制定有效預(yù)防措施，并為今后該類設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：活塞桿；靜應(yīng)力；疲勞；斷裂

中圖分類號(hào)：TH45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）11-0078-02

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿在工作過(guò)程中，承受了很大的交變應(yīng)力，在受到設(shè)計(jì)、制造、安裝、操作、環(huán)境等綜合因素的影響下，很容易產(chǎn)生斷裂。當(dāng)遇到活塞桿斷裂的情況發(fā)生時(shí)，需要對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行逐一的排查，才能找到發(fā)生問(wèn)題的根本原因。某尾氣壓縮機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行僅一個(gè)月，便發(fā)生了活塞桿的斷裂的問(wèn)題發(fā)生。本文從多方面入手，進(jìn)行深入的分析，可為今后類似問(wèn)題的處理提供借鑒和參考。

1 活塞桿斷裂情況

活塞桿的斷裂位置為活塞與活塞桿配合面上加熱孔的根部，如圖1箭頭所示。該處是活塞桿面積最小的地方，且存在因截面尺寸發(fā)生變化而引起的應(yīng)力集中，是活塞桿最薄弱的部分。

2 活塞桿斷裂原因分析及排查

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性評(píng)估

活塞桿與活塞采用電加熱孔進(jìn)行緊固連接已經(jīng)有成熟的技術(shù)與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，全國(guó)多數(shù)壓縮機(jī)的活塞與活塞桿均采用電加熱孔技術(shù)進(jìn)行緊固連接，都運(yùn)行良好。實(shí)踐證明采用電加熱孔技術(shù)進(jìn)行活塞與活塞桿的緊固連接是合理可靠的。

2.2 加熱孔設(shè)計(jì)評(píng)估

活塞桿的電加熱孔的尺寸設(shè)計(jì)是根據(jù)活塞和活塞桿的尺寸參數(shù)及其材料性能等參數(shù)經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算得出的，設(shè)計(jì)合理，能夠提供合理的預(yù)緊力，保證深入活塞部分的活塞桿只受拉伸的交變應(yīng)力，這可以大大提高活塞桿在交變載荷下的使用壽命，使其滿足使用要求。

2.3 活塞桿選材評(píng)估

因壓縮機(jī)工藝氣體中含有腐蝕性氣體硫化氫（H2S），一般的不銹鋼很難滿足其使用要求，因此根據(jù)設(shè)計(jì)工況下壓縮機(jī)工作壓力及工藝氣體各組份含量等因素綜合考慮，活塞桿材質(zhì)選擇17-4PH沉淀硬化不銹鋼。17-4PH衰減性能好，抗腐蝕疲勞及抗水滴性能強(qiáng)，為目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的最好，適合于在含有硫化氫氣體的壓縮機(jī)中作為活塞桿的材質(zhì)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程評(píng)估

安裝現(xiàn)場(chǎng)可能存在安裝疏漏，活塞桿與活塞的連接及活塞桿與十字頭的連接不當(dāng)會(huì)影響活塞桿的使用安全與使用壽命。十字頭與活塞桿未進(jìn)行二次緊固連接，使得十字頭和活塞桿連接的連接螺母間有間隙量，引起活塞桿與十字頭的連接松動(dòng)。一旦活塞桿與十字頭或活塞桿與活塞間出現(xiàn)連接螺紋松動(dòng)問(wèn)題，就會(huì)使活塞桿處于非正常工作狀態(tài)。連接松動(dòng)會(huì)使活塞桿受力偏心，使其受到的交變載荷增加，活塞桿受力不均；嚴(yán)重的會(huì)引起活塞刮碰或撞擊氣缸缸座缸蓋，進(jìn)而可能會(huì)使活塞變形，活塞內(nèi)活塞桿的預(yù)緊力減小，活塞桿受到不均勻的交變應(yīng)力、撞擊應(yīng)力。連續(xù)異常且很大的交變應(yīng)力使得活塞桿產(chǎn)生疲勞裂紋，擴(kuò)展到一定程度，最終導(dǎo)致疲勞破壞。

2.5 工藝條件評(píng)估

因在壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下的分液罐中有液體析出，壓縮機(jī)工藝氣體可能是濕氣體，在壓縮機(jī)工作過(guò)程中氣缸內(nèi)未及時(shí)蒸發(fā)和排出的液體受到活塞壓縮時(shí)，瞬間內(nèi)出現(xiàn)的巨大壓力會(huì)造成受力件的變形和損壞。一旦有液擊現(xiàn)象發(fā)生，液擊會(huì)對(duì)活塞桿產(chǎn)生很大的作用力，能夠在短時(shí)間內(nèi)造成活塞桿斷裂。

2.6 活塞桿受力評(píng)估

對(duì)活塞桿所受到氣體力進(jìn)行分析，探討是否由于壓縮機(jī)超載導(dǎo)致的活塞桿斷裂。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的中控室的檢測(cè)數(shù)據(jù)，獲得進(jìn)排氣壓力，介質(zhì)組分等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。得出活塞桿所承受的最大氣體力為32.95KN，許用值為80KN，安全系數(shù)為2.4。因此，活塞桿受力未超標(biāo)。活塞桿受力的動(dòng)態(tài)特性曲線，見圖2。

2.7 活塞桿有限元分析

對(duì)活塞桿進(jìn)行三維有限元模型的建立，并設(shè)置邊界條件，施加進(jìn)排氣壓力，模擬活塞實(shí)際的工作過(guò)程。分析出在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，活塞桿應(yīng)力的分布狀況，精確計(jì)算出斷裂位置所承受的最大應(yīng)力（如圖3所示）。經(jīng)分析，活塞桿說(shuō)承受的最大應(yīng)力為365MPa，活塞桿的許用應(yīng)力為725MPa，安全系數(shù)為1.98，應(yīng)力分析合格。

2.8 斷口的宏觀分析

兩個(gè)斷口邊緣均有不同程度的向外翹起，這只能是斷后撞擊產(chǎn)生的變形。但斷裂處整體未見有其他明顯塑性變形（如頸縮），說(shuō)明活塞桿的斷裂屬于脆性斷裂。如圖4所示。

左側(cè)斷口的右上部分可見到一些放射狀棱線（箭頭所指），說(shuō)明該部分?jǐn)嗫诘男纬墒菑膬?nèi)（加熱孔邊緣）向外的，如圖5所示。

左側(cè)斷口左邊緣部分的局部放大像圖6，可清楚地看到有幾個(gè)弧狀線，如小箭頭1、2、3所示。這些貝殼狀弧線是疲勞弧線（或稱貝紋線），是疲勞斷裂的典型宏觀特征。疲勞弧線是疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)留下的痕跡，與另外擴(kuò)展速率的變化或氧化有關(guān)。不同的弧線同時(shí)存在說(shuō)明這些疲勞裂紋起自不同的源，為多源疲勞。多源疲勞常常表明受力比較苛刻。

2.9 掃描電鏡

圖7是與疲勞區(qū)斷口（圖6）相對(duì)應(yīng)的掃描電鏡像，可見到很多平行的紋理。圖8是在裂紋形成但還沒有斷開時(shí)裂紋開閉造成的，具有疲勞斷裂的特征，這與圖6的分析是一致的。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)可能產(chǎn)生原因的逐一排查并進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查與研究，最終找出了活塞桿斷裂的主要原因。由于安裝活塞時(shí)緊固不到位，螺紋松動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)活塞桿承受了較大的沖擊載荷產(chǎn)生過(guò)大的交變應(yīng)力，使得活塞桿產(chǎn)生疲勞裂紋，擴(kuò)展到一定程度，最終導(dǎo)致疲勞破壞。

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